激光选区熔化过程熔池温度测量、预测与控制技术

摘要

激光选区熔化成形技术具有传统制造无法实现的特殊优势，能够制造复杂结构零件、成形速度快、一体成形无需装配等优点，在未来制造技术中拥有巨大潜力。激光选区熔化成形技术是集新型材料技术、数字化成形制造技术、计算机信息技术为一体的先进制造技术，它是增材制造技术的未来发展趋势，引领了当今制造业的革命风暴。 本文介绍了激光选区熔化成形技术的原理和特点，分析了熔池温度测量与控制的难点与发展趋势。通过设计新型的光路系统，利用红外测温仪捕捉热辐射红外光束，构建熔池温度测量系统及控制系统;并构建了激光选区熔化成形数值模拟模型，进行了多组样件的仿真模拟分析;对熔池温度场进行数学模型的构建，得到熔池温度的预测公式。具体研究内容如下: (1)研究了激光选区熔化成形技术的工作原理及特点，通过查阅国内外相关专利及论文，综述了激光选区熔化成形温度测量与控制研究情况和最新研究进展，激光加工过程中循环变化的温度场影响着成形质量，对熔池温度场进行研究尤为重要。 (2)采用数值模拟分析的方法首先对激光选区熔化成形温度场进行数值模拟，通过改变材料的热物性参数模拟激光选区熔化成形熔凝过程，利用生死单元技术对激光选区熔化成形加工过程进行模拟，根据数值模拟分析结果，对相关测量参数和测量方式进行设置，从而对熔池温度进行检测。 (3)为了实现熔池温度场的高精度测量，开发新型光路系统，利用红外测温仪采集熔池温度，构建了激光选区熔化成形熔池温度测量系统，同时获得了不同工艺参数下的激光熔池温度场测量结果及相关的规律分析。 (4)对激光熔池温度预测方法的构建进行研究，把主要工艺参数作为自变量，建立熔池温度与工艺参数之间影响因子关系的数学模型，对测试结果数据采用MATLAB软件进行非线性多元回归分析，构建熔池温度预测公式，获得检测精度为4％。 (5)建立激光选区熔化成形熔池温度测控系统，在熔池温度场控制策略上引入了“模糊控制”策略，使整个温度控制系统具有自适应性。利用Labview软件实现激光选区熔化成形加工过程中熔池温度的监控。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1激光选区熔化成形技术的原理及特点

1．2激光选区熔化成形技术的国内外研究进展及背景

1．2．1国内激光选区熔化成形技术的研究进展及背景

1．2．1国外激光选区熔化成形技术的研究进展及背景

1．3激光选区熔化成形过程中存在的问题

1．4选题背景和意义

1．5本文的研究内容和章节安排

第2章激光选区熔化成形温度场数值模拟

2．1温度场数学模型

2．1．1热源模型

2．1．2热传递方式

2．2温度场数值模拟分析模型建立

2．2．1材料的热物理参数

2．2．2热传导模型的建立

2．2．3单元生死技术

2．2．4相变对温度场的影响

2．2．5温度场模型的建立

2．3温度场数值模拟分析研究

2．3．1双光束激光和单光束激光模拟结果对比分析

2．3．2不同工艺参数下温度场分析

2．3．3不同时刻温度场分布云图

2．3．4不同扫描路径下温度场分析

2．4不同工艺参数下热应力场分布研究

2．5本章小结

第3章激光选区熔化成形熔池温度的测量

3．1测温部位的选取

3．2测温方法的确定

3．2．1接触式测温

3．2．2非接触式测温

3．3测温系统的构建

3．3．1光学系统的开发

3．3．2红外测温仪的选型

3．3．3红外测温系统测量精度标定

3．4材料的发射率

3．5实验工艺参数及实验现场

3．6激光选区熔化成形过程熔池测量结果分析

3．6．1直线扫描路径激光选区熔化成形熔池测量结果分析

3．6．2圆形扫描路径激光选区熔化成形熔池测量结果分析

3．6．3方框扫描路径激光选区熔化成形熔池测量结果分析

3．6．4三角形扫描路径激光选区熔化成形熔池测量结果分析

3．7激光选区熔化成形过程熔池测量规律分析

3．8本章小结

第4章熔池温度预测方法

4．1温度预测数学模型的建立

4．1．1成形过程中的能量传递与转换

4．1．2熔池温度场模型的建立

4．2成形实验

4．2．1实验方法

4．2．2实验结果与分析

4．3温度预测公式回归分析

4．4温度预测公式验证

4．5本章小结

第5章激光选区熔化成形过程熔池温度控制方法研究

5．1熔池温度控制方法的研究

5．1．1控制策略确定

5．1．2模糊控制系统设计

5．2基于Labview的测量系统的结构设计

5．2．1测量系统的硬件结构设计

5．2．2测量系统的软件结构设计

5．2．3 Labview的开发软件方法

5．3控制系统设计

5．3．1 Labview与虚拟仪器在控制系统中的应用

5．3．2控制器设计

5．4程序模块设计

5．4．1前面板设计

5．4．2程序框图设计

5．5本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢